日本芝浦工业大学发现新方法 可实现高效锂空气电池

随着全球变暖加剧，减少对化石燃料的依赖并转向替代绿色能源已势在必行。电动汽车正是转向绿色能源的重要一步。然而，传统的锂离子电池无法胜任，电动汽车需要高能量密度的电池才能发挥作用。理论上，锂空气电池比锂离子电池具有更高的能量密度。但在投入实际使用之前，这些电池需要提高能源效率，必须增强其循环特性，并且必须降低氧氧化还原反应充电/放电所需的过电势。为了解决这些问题，需要合适的催化剂来加速电池内部的析氧反应（OER）。OER是水分解过程中极其重要的化学反应，可提高蓄电池的性能。稀有且昂贵的贵金属氧化物，例如氧化钌（IV）（RuO2）和氧化铱（IV）（IrO2）通常被用作催化剂来加速金属-空气电池的OER。更便宜的催化材料包括过渡金属，例如钙钛矿型氧化物和氢氧化物，它们对OER也具有很高的活性。CoSn（OH）6（CSO）是一种钙钛矿型氢氧化物，被认为是一种有前途的OER催化剂。然而，目前合成CSO的方法速度很慢（需要超过12小时）并且需要多个步骤。据外媒报道，由日本芝浦工业大学（Shibaura Institute of Technology）Takahiro Ishizaki教授、Masaki Narahara和Sangwoo Chae博士领导的一个研究小组仅用一个步骤就在短短20分钟内合成了CSO。该团队使用的是溶液等离子体工艺，即一种在非热反应领域合成材料的尖端方法。相关研究成果于2023年4月17日发表于期刊《Sustainable Energy & Fuels》。 图片来源：日本芝浦工业大学研究小组使用X射线衍射法表明，通过将pH值调整到10至12，可以从前驱体溶液中合成高度结晶的CSO。使用透射电子显微镜，他们进一步注意到CSO晶体是立方体形状的，尺寸约为100-300 nm。研究小组还使用X射线光电子能谱研究了CSO晶体的组成和结合位点，并在化合物中发现了二价态的钴（Co）和四价态的锡（Sn）。最后，该团队使用电化学方法来研究CSO作为OER催化剂的特性。他们观察到，合成的CSO在10 mA cm?2的电流密度下具有350 mV的过电势。Ishizaki教授强调说：“在所有合成样品中，在pH12下合成的CSO具有最好的催化性能。事实上，该样品的催化性能甚至比商业级RuO2的催化性能还要好一些。”当pH 12样品显示出具有最低电势（特别是比市售RuO2与可逆氢电极在10 mA cm?2下的电势低104 mV）时，这一点得到了证实。总的来说，这项研究首次描述了一种简单有效的合成CSO的过程。这一过程使得CSO在锂空气电池中的应用切实有效，并为实现下一代电动电池开辟了新途径。Ishizaki教授总结道：“合成的CSO在OER方面表现出优异的电催化性能。我们希望钙钛矿型CSO材料能够应用于能源设备，并为电动汽车的高功能化做出贡献。反过来，我们也将能够建立一个独立于化石燃料的新能源系统，从而更快实现碳中和。”